摘要：为切实从源头上提高水体污染的治理效果，通过利用石墨烯光催化技术优势，对比分析由石墨烯+聚乙烯+纳米TiO2+碳纤维组成的石墨烯光催化材料，在不同铺设面积比100%、70%、50%和30%的净化效果。相比于空白组，不同铺设面积比对TN、NH3-N的去除效果差别不大，而对COD去除、DO提升优势显著；且最终净化效果大小顺序为：30%<50%<70%<100%，最佳铺设面积比是70%，其对COD的去除率超出空白对照组75.08%，综合表明该材料能够治理水体污染。

　　关键词：石墨烯光催化材料；净化效果；铺设面积比

　　0引言

　　水是人类赖以生存的重要资源，但是随着工业的快速发展，有机污染物、重金属成为水体中污染物的主要来源，这些污染物进入水体中，阻碍植物的光合作用，造成水中动植物的死亡，进而破坏原有生态平衡，严重危害生态环境和人类健康，因此，治理水污染迫在眉睫[1]。有关研究发现，石墨烯光催化技术具有较好的水质净化效果，其具有强氧化性、光催化性等优势[2]，且吸收光能后的石墨烯光催化材料产生羟基自由基，并通过强氧化作用使水中有机污染物去除，最终分解为H2O和CO2，进而提高水体溶解氧、杀菌效果[3]，因此本文结合石墨烯光催化材料优势将其应用在污染水体治理中，并对比分析其在不同铺设面积下的净化效果，为实践应用提高理论依据。

　　1不同铺设面积比下的水体净化效果分析

　　以黑色石墨烯光催化材料为实验材料，其成分为石墨烯+聚乙烯+纳米TiO2+碳纤维，并选取某池塘水为实验水体放置在5个实验桶中，其中，空白组1组，其余均为实验组。将石墨烯光催化材料按照不同铺设面积比100%、70%、50%和30%分别置于装满污染水体的桶中。在持续21 d的光照下，每2 d抽取污水100 mL对水中DO、COD、TN及pH等指标进行检测。

　　1.1 DO变化

　　图1为5组DO浓度的对比结果，其中，30%、50%、70%及100%表示石墨烯光催化材料占桶中水体表面积的比值。

　　图1中，实验前水体的初始DO质量浓度是6.82 mg/L。实验21 d后，原水DO质量浓度降至6.54 mg/L，是初始质量浓度的0.95倍。不同铺设面积30%~100%的DO质量浓度上升到7.84、8.03、8.06、7.88 mg/L，依次为初始质量浓度的1.15、1.18、1.18、1.15倍；对比空白1组，分别是空白组DO质量浓度的1.2、1.22、1.23、1.20倍。综上对比可知，实验组的DO值均大于空白组2 mg/L，符合水体中硝化反应的最佳溶解氧质量浓度2~4 mg/L[4]。

　　实验中，5组DO质量浓度为先降低后上升这可能是由于水体有一定的自净能力且水体初始DO质量浓度高，水体中有机物耗氧分解明显并超过溶氧，使前期DO质量浓度下降。后续，因水体属于复氧的自净过程，当有机物下降时，复氧作用超过耗氧，增大DO质量浓度。对比5组实验，除复氧作用外，经光照后，石墨烯光催化材料发生催化反应使DO质量浓度增加因此空白组的DO质量浓度都小于实验组。

　　1.2 pH变化

　　图2为pH值的对比结果。图2中，实验前，水体pH=7.66，经过21 d实验后，空白组的pH值上升到8.47不同铺设面积30%~100%对应的pH值依次降为7.53、7.63、7.42和7.71。

　　实验组pH值为先上升后下降，而空白组pH为先上升后趋于平稳，这可能是因为水体中藻类繁殖，通过白天藻类的光合作用，将大量酸性CO2消耗掉，使pH值升高，而石墨烯光催化材料能够抑制藻类，使实验组后期的pH值都小于空白组。

　　1.3 COD变化

　　图3为COD值的对比结果。实验前，水体COD值是64.71 mg/L，21 d实验后，空白组COD值上升到91.42 mg/L，去除率是-41.28%；不同铺设面积30%~100%，依次对应的COD值下降到75.42、47.94、42.85、44.96 mg/L，相比于初始COD值，去除率依次为-16.6%、25.9%、33.8%和30.5%；对比空白组，去除率依次超出24.68%、67.18%、75.08%和71.78%。上述分析表明，50%、70%和100%铺设面积能够很好地去除COD，且70%的面积比对COD的去除效果最好，其次是50%，其对COD的去除率只比70%的稍小7.9%，4组实验组的净化效果顺序为30%<100%<50%<70%。

　　空白组、实验组的COD值都是先下降后上升，且在第9 d出现低值后又上升，大概是因为水体有一定的自净能力，微生物分解有机物，有机污染的下降造成微生物缺乏营养源并逐渐降低，降低生物对水体的自净造成空白组COD值不断增大；而石墨烯光催化材料在可见光作用下，产生光生空穴，并形成·OH，使水体有机污染物下降，使实验组在后期的COD值较低。

　　1.4 TN变化

　　图4为TN的对比结果。实验前，水体TN质量浓度是31.02 mg/L，经21 d实验后，空白组NH3-N质量浓度下降到3.3 mg/L，去除率达89.4%。不同铺设面积30%~100%对应的TN质量浓度依次下降到3.12、2.55、2.36、2.43 mg/L，对比初始TN质量浓度，去除率依次为89.9%、91.8%、92.4%和92.2%；对比空白组，去除率分别超出0.5%、2.4%、3.0%和2.8%，去除效果相接近，且4组实验组的去除效果也相差不大。

　　5组实验在前11 d内TN质量浓度先急剧下降，后基本保持稳定。空白组的TN质量浓度是因为NH3-N质量浓度的下降，而实验组可能是因为光催化作用使有机氮转为小分子氮，并去除水体中的硝态氮，造成TN质量浓度下降。

　　1.5 NH3-N变化

　　图5为NH3-N质量浓度的对比结果。实验前，水体NH3-N质量浓度是64.71 mg/L，21 d实验后，空白组NH3-N质量浓度下降到0.71 mg/L，去除率达96.42%。不同铺设面积30%~100%对应的NH3-N质量浓度依次下降到0.67、0.59、0.51、0.53 mg/L，对应去除率为96.62%、97.05%、97.42%和97.34%；相比于空白组，对NH3-N的去除率分别超出0.2%、0.63%、1.0%和0.92%，去除效果相接近，且4组实验组的去除效果也相差不大。

　　5组NH3-N质量浓度在第5 d开始大幅下降，后基本保持稳定。实验组大概是因为石墨烯光催化材料在太阳光的作用下，和水反应生成·OH，因其强氧化性，最终使NH3-N分解为N2和水[5]。

　　2结论

　　针对石墨烯光催化技术具有强氧化性和光催化性，且绿色无毒，可重复使用等优点，因此，为从源头上提高水体污染防治效果，本文将石墨烯光催化材料应用在污染水体治理中，并对比分析其在不同铺设面积下的净化效果，结论如下：

　　1）当铺设面积为30%时，对COD、TN、NH3-N的去除率依次为-16.6%、89.9%、96.62%，对比空白组，分别高出75.08%、0.5%、0.2%，DO去除率为空白组的1.2倍，pH下降到7.53；当铺设面积为50%时，去除率依次为25.9%、91.8%、97.05%，且高出空白组75.08%、2.4%、0.63%，DO为1.22倍，pH下降到7.63；当铺设面积为70%时，去除率依次为33.8%、92.4%、97.42%，且空白组高出为75.08%、3%、1%，DO去除率为1.23倍，pH下降到7.42；当铺设面积为100%时，去除率依次为30.5%、92.2%、97.34%，且高出空白组71.78%、2.8%、0.92%，DO去除率为1.2倍，pH下降到7.71。

　　2）相比空白组，不同铺设面积30%~100%时，对TN、NH3-N的去除效果差别不大，而对COD去除、DO提升优势显著，表明石墨烯光催化材料适用于以有机污染为主要污染源的污染水体治理中。

　　参考文献

　　[1]王卫.环境保护工作中水污染治理措施[J].资源节约与环保，2023（5）：17-20.

　　[2]朱雪君，宋曦，赵海侠.电催化氧化技术在化工污染水体治理中的运用[J].化工管理，2020（5）：115-116.

　　[3]陈梅.生物强化技术在水污染治理中的应用研究[J].山西化工，2023，43（5）：126-128.

　　[4]俞铖红，于孝坤，刘哲宇.光合细菌在水污染治理中的研究进展[J].山东化工，2022，51（11）：68-70.

　　[5]王建强，黄菊梅，马玉龙，等.改性二氧化钛光催化技术在水污染治理中的研究进展[J].现代盐化工，2021（6）：9-11.